Thermodynamics of power production in fuel cells

• Autorzy: Sieniutycz S.

Warianty tytułu

PL

Termodynamika produkcji mocy w ogniwach paliwowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Power maximization approach is developed for fuel cells treated as flow engines driven by fluxes of chemical reagents and electrochemical mechanism of generation of electric current. The underlying theory combines the recent formalism worked out for the chemical machines with Faraday.s law which determines the intensity of electric current generated in the fuel cell. Steady-state model of a high temperature solid oxide fuel cell is considered, which refers to constant chemical potentials of incoming hydrogen fuel and oxidant. Power output formula takes into account transport laws for electrons and ions, irreversible polarizations and efficiency of energy generation. Relevant literature models are generalized including those obtained for systems with incomplete conversions. An approach is developed that attributes lowering of cell voltage below the reversible value to polarizations and imperfect conversions of reactions. Performance curves of the fuel cell and the effect of typical design and operating parameters on the fuel cell performance are analyzed.

PL

Rozwinięto metodę maksymalizacji mocy ogniw paliwowych traktowanych jako przepływowe silniki napędzane przez strumienie reagentów chemicznych i elektrochemiczny mechanizm generacji prądu elektrycznego. Teoria podstaw metody łączy niedawno opracowany formalizm dla maszyn chemicznych z prawem Faradaya, określającym natężenie prądu elektrycznego wytwarzanego w ogniwie. Rozważono model stacjonarnego wysokotemperaturowego ogniwa tlenkowego, który odnosi się do stałych potencjałów chemicznych wlotowego paliwa wodorowego i utleniacza. Równanie opisujące moc wyjściową uwzględnia prawa przenoszenia elektronów i jonów, nieodwracalną polaryzację i sprawność generowania energii. Uogólniono stosowne modele literaturowe z uwzględnieniem modeli otrzymanych dla układów z niezupełną konwersją. Rozwinięto podejście przypisujące obniżenie napięcia poniżej wartości odwracalnej zjawiskom polaryzacji i niedoskonałej konwersji reakcji. Zanalizowano krzywe jakości ogniwa oraz wpływ typowych parametrów projektowych i operacyjnych na zachowanie się ogniw.

Słowa kluczowe

EN

fuel cell; power

PL

moc; ogniwo paliwowe; termodynamics; termodynamika

• Wydawca: Komitet Inżynierii Chemicznej i Procesowej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Chemical and Process Engineering
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 31, z. 1
• Strony: 81--105
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz.,

Twórcy

autor

Sieniutycz S.

• Faculty of Chemical Engineering, Warsaw University of Technology, ul. Waryńskiego 1, 00-645 Warszawa,

Bibliografia

• [1] SIENIUTYCZ S., Int. J. Heat Mass Trans., 2009, 52, 245.
• [2] DE VOS A., Endoreversible Thermodynamics of Solar Energy Conversion, Clarendon Press, Oxford 1992, pp. 29–51.
• [3] SIENIUTYCZ S., Drying Techn., 2009, 27, 322.
• [4] SIENIUTYCZ S., Drying Techn., 2006, 24, 1139.
• [5] SIENIUTYCZ S., J. Non-Equil. Therm., 1999, 24, 40.
• [6] SIENIUTYCZ S., DE VOS A., Thermodynamics of Energy Conversion and Transport, Springer, New York, 2000, Chap. 6., pp. 143–172.
• [7] ZHAO Y., OU, C., CHEN, J., Int. J. Hydr. En., 2008, 33, 4161.
• [8] CHEN J., ZHAO Y., J. Power Sources, 2009, 186, 96.
• [9] WIERZBICKI M., Optimization of SOFC based energy system using Aspen PlusTM, MsD Thesis, Faculty of Chemical and Process Engineering, Warsaw University of Technology, 2009, Supervised by S. Sieniutycz (FChPE, Warsaw UofT) and J. Jewulski (Laboratory of Fuel Cells, Institute of Energetics, Warsaw).
• [10] ŻBIKOWSKI M., Thermodynamic Modeling of Electrochemical Processes in Proton-Exchange Fuel Cell, MsD thesis, Faculty of Chemical and Process Engineering, Warsaw University of Technology, 2004, Supervised by S. Sieniutycz (FChPE, Warsaw UofT) and H. Kronberger (Technical University Vienna).
• [11] MENCH M. M., WANG CH-Y., THYNELL, S.T., An Introduction to Fuel Cells and Related Transport Phenomena, report of The Pennsylvania State University, University Park, PA, USA, 2009.
• [12] LARMINIE J., DINKS A., Fuel Cell Systems Explained, Wiley, New York, 2000.
• [13] CHAISANTIKULWAT A., DIAZ-GOANO C., MEADOWS E.S., Comp. Chem. Eng., 2008, 32, 2365.
• [14] MOLENDA J., Mater. Sci.-Poland, 2006, 24, 1.